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Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft organische Halbleitermaterialien und deren Verbundstrukturen, im Speziellen die Erzeugung außerordentlich vieler feinstrukturierter p/n-Heteroübergänge mit Kontakt zu den Elektroden. Ferner werden Wege zur Verwendung der Strukturen im Bereich der organischen Solarzellen und im Bereich der organischen Leuchtdioden aufgezeigt.
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Stand der Technik – Hintergrund
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Organische Halbleiter haben das Potenzial in einer immensen Zahl von Anwendungen genutzt zu werden, und tatsächlich kommen sie bereits in vielen Produkten auf dem Markt zum Einsatz. Sei es als Transistoren (OFETs), in Licht-emittierenden Bauteilen (organischen Displays; OLEDs), oder stromerzeugenden Zellen (organische Photovoltaik, OPV).
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Als Gründe dafür können Vorteile gegenüber konventionellen Halbleitern (beispielsweise Silizium-basierte Halbleiter) und deren Herstellung und Verarbeitung genannt werden: In der Regel werden für die Herstellung entsprechender Bauteile keine hohen Temperaturen, oder Verarbeitung in Vakuum benötigt, was die Herstellungskosten niedrig hält. Organische Komponenten können auf dünne, flexible Träger aufgebracht werden. Daher können sie in Massenproduktion (z. B. roll-to-roll-Verfahren) hergestellt werden und ebenso wie die Elektronik (im Gegensatz zu Silizium-basierten Bauteilen) als günstiges „Wegwert-Produkt” hergestellt werden.
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Obwohl organische Solarzellen eine niedrigere Effizienz als konventionelle Solarzellen aufweisen, besitzen sie jedoch ein enormes wirtschaftliches und ökologisches Potenzial, da die Produktionskosten um ein Vielfaches geringer sind. Es gibt daher viele Bestrebungen, die Effizienz weiter zu verbessern. Eine effiziente Verbesserung ist Grundlage dieses Patentes und wird weiter unten beschrieben.
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Organische Solarzellen werden nach momentanem Stand der Technik aus zwei organischen Halbleitern hergestellt, die die photoaktive Schicht darstellen. Diese ist zwischen zwei Elektroden (eine davon transparent) und gewissen Sperrschichten eingebettet. Im einfachsten Fall besteht die photoaktive Schicht aus zwei einzelnen Schichten übereinander: organischer p-Halbleiter und organischer n-Halbleiter. Wird in der photoaktiven Schicht Licht absorbiert, so kann es zur Erzeugung eines Exzitons (Quasiteilchen mit „ungetrennten” Ladungen) kommen, dessen Ladungen getrennt und zu den verschiedenen Elektroden abgeleitet werden können. Um diesen Effekt nutzen und verstärken zu können sind bestimmte Voraussetzungen einzuhalten: Das Exziton besitzt eine bestimmte Lebenszeit und muss innerhalb dieser einen Übergang von p- zu n-Halbleiter erreichen (p/n-Heteroübergang). Nur an diesem ist die Ladungstrennung möglich. Beide separierten Ladungen müssen die Möglichkeit haben, an die entsprechen Elektroden abzufließen.
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Je mehr p/n-Heteroübergänge in der photoaktiven Schicht vorhanden sind, desto höher ist auch die Effizienz der Solarzelle, da mehr gebildete Exzitonen die Heteroübergänge erreichen können und so zum photovoltaischen Stromfluss beitragen.
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Ähnliche Randbedingungen an die p/n-Heteroübergänge gelten auch im Bereich der OLED.
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Um die Anzahl der p/n-Heteroübergänge zu erhöhen gibt es verschiedene Bestrebungen:
Zum Einen wird versucht eine definierte Struktur aus p- bzw. n-Halbleiter zu erzeugen, die auf molekularer Ebene den anderen Halbleitertyp als Bausteine gebunden haben. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Exzitonen einen p/n-Heteroübergang in deren Lebenszeit erreichen, aber die Leitung der getrennten Ladungen in den einzelnen Halbleitern ist meist sehr schlecht.
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Ein weiteres Bestreben ist, die erste Halbleiterschicht mit möglichst großer Oberfläche zu strukturieren, bevor die zweite Schicht mit dem anderen Halbleitertyp aufgebracht wird. Dies kann beispielsweise durch Anlösen der ersten Schicht mit geeignetem Lösungsmittel erfolgen, wie in der Patentschrift
WO2009099889(A1) beschrieben. Anschließend wird die zweite Halbleiterschicht aufgetragen. Die Patentschrift
US 2007092988(A1) beschreibt wie dieser Prozess in einem Schritt stattfinden kann: Durch Auftragen der zweiten Halbleiterschicht wird die Erste angelöst und die beiden Halbleitertypen vermischen sich leicht an der Kontaktstelle.
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Eine andere Möglichkeit ist die Herstellung von nanoporösen Strukturen aus einem Halbleiter, der dann mit dem anderen Halbleitertyp gefüllt wird. Ein Beispiel hierfür ist die Herstellung einer nanoporösen Fullerenschicht, die mit Halbleitermaterial bestimmter Viskosität gefüllt wird, wie in der Patentschrift
US2006025311(A1) beschrieben. In
JP11317536 (A) geht es diesbezüglich um die Erzeugung eines amorphen Halbleiters.
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Nach momentanem Stand der Technik ist die verbreitetste Methode die beiden Halbleitertypen möglichst stark und homogen miteinander zu vermischen, bzw. einen Halbleiter in eine ungeordnete Matrix des anderen Halbleiters einzubetten. In der Literatur wird diese lose Verbundstruktur aus p/n-Heteroübergängen „bulk heterojunction” bezeichnet.
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Vorteil dieses Verfahrens ist neben der einfachen Herstellungsmethode die Herstellung sehr vieler p/n-Heteroübergänge.
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Nachteile sind allerdings, dass viele separierte Bereiche eines Halbleitertyps nicht mit der entsprechenden Elektrode verbunden sind (Inselbildung), und somit Exzitonen nicht genutzt werden können. Außerdem sind diese separierten Bereiche (auch mit Kontakt zur passenden Elektrode) teilweise so groß (mehrere Hundert Nanometer), dass Exzitonen in ihrer Lebenszeit keine Heteroübergänge erreichen können (Exzitonendiffusionslänge < 1 μm), und somit wieder zerfallen und ungenutzt sind. In der Literatur wird auch von einer ständigen Tendenz zur Phasenseparation solcher Halbleiterverbundstrukturen berichtet, wobei sich die einzelnen Materialien in Bereiche mit Dimensionen von mehreren Mikrometern trennen, und somit noch weniger Exzitonen genutzt werden können, was zu einer niedrigeren Effizienz der Solarzelle führt.
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Beschreibung der Erfindung
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An der Überwindung der Nachteile des Standes der Technik setzt die vorliegende Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist, wie in den Ansprüchen gekennzeichnet, die Erzeugung einer photoaktiven Schicht aus Halbleitern mit sehr vielen p/n-Heteroübergängen die Kontakt zu beiden Elektroden besitzen, sodass die separierten Ladungen abfließen können. Insbesondere sollen Bereiche, die nicht im direkten Kontakt mit einer Elektrode stehen (Inselbildung) vermieden werden. Die Bereiche der einzelnen Halbleiter sollen so kleinräumig wie möglich gestaltet werden, dass fast alle erzeugten Exzitonen innerhalb ihrer Lebensdauer einen p/n-Heteroübergang erreichen können. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung die Effizienz organischer Solarzellen und OLEDs zu verbessern.
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Diese Aufgaben werden durch feinstrukturierte Materialmischungen mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und der zugehörigen abhängigen Ansprüche gelöst.
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Insbesondere können die Aufgaben der Erfindung realisiert werden, indem aus einem organischen Halbleiter Mikro- bzw. Nanofasern hergestellt werden, die einen Durchmesser besitzen, der höchstens in der Größenordnung der doppelten Exzitonendiffusionslänge liegt. Die Exzitonendiffusionslänge gibt an, welche Strecke ein Exziton innerhalb der Lebensdauer zurücklegen kann. Diese Fasern werden dann mit dem jeweils anderen Halbleitertyp umgeben. Das kann entweder durch Beschichtung der Fasern erfolgen, oder durch Tränken bzw. einer beliebigen Technologie zur Umhüllung/zum Auffüllen eines Fasernetzwerkes mit dem anderen Halbleitertyp.
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Zur Illustration der Erfindung ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen feinstrukturierten Materialmischung im Aufbau einer organischen Solarzelle in 1 schematisch dargestellt. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt werden soll. Die Bedeutung der Bezugszeichen in 1 erläutert folgende Tabelle:
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Bezugszeichenliste
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- 1
- faserförmiger Halbleiter
- 2
- umhüllender Halbleiter
- 3
- Sperrschicht 1
- 4
- Sperrschicht 2
- 5
- transparente Elektrode
- 6
- Rückelektrode
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Beschreibung des grundsätzlichen Aufbaus der erfindungsgemäßen feinstrukturierten Materialmischung und deren Verwendung anhand der in 1 dargestellten Ausführungsform:
Der faserförmige Halbleiter 1 besteht aus einem halbleitenden Material (p- oder n-Halbleiter) und wird in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung mittels Elektrospinnen nanostrukturiert hergestellt. Der Durchmesser der Fasern liegt bevorzugt im Bereich kleiner 10 μm, bevorzugt kleiner 5 μm, bevorzugt kleiner 1 μm und besonders bevorzugt im Bereich von etwa 100 nm und noch feiner. Das Netzwerk aus diesen Fasern (vliesartiges Geflecht) besitzt sehr kleine Hohlräume, die bevorzugt im Bereich kleiner 20 μm, bevorzugt kleiner 10 μm, bevorzugt kleiner 5 μm, weiterhin bevorzugt kleiner 1 μm und besonders bevorzugt im Bereich von etwa 200 nm und noch kleiner liegen. Der umhüllende Halbleiter 2 besteht aus einem halbleitenden Material des anderen Halbleitertyps (n- oder p-Halbleiter), der durch Beschichtung der Fasern 1, Tränken oder Auffüllen des Netzwerkes aus 1 den Halbleiter 1 umgibt. Dadurch werden sehr feinstrukturierte p/n-Heteroübergänge erzeugt. Darüber hinaus zeichnet sich diese Struktur dadurch aus, dass alle Halbleitermaterialien einer Art (p- oder n-Halbleiter) im elektrischen Kontakt miteinander stehen. Die Inselbildung einzelner Bereiche wird vermieden. Die dargestellte Schicht bestehend aus dieser feinstrukturierten Materialmischung aus 1 und 2 ist der Kern der vorliegenden Erfindung. Dabei können sich die Schichten aus 1 und 2 vollständig überlagern bzw. „vermischen”, wie in 1 gezeigt, oder sich nur zu einem gewissen Teil „vermischen” (bevorzugt zu 90–95%). Damit ist insbesondere gemeint, dass die faserförmige Struktur nicht in ihrer vollen Höhe mit dem umhüllenden Halbleiter „getränkt” sein muss, sondern dass die Fasern zur leichteren Trennung der verschiedenen Halbleiterbereiche aus der Umhüllung in einen elektrisch isolierenden Bereich oder bevorzugt in einen Bereich mit identischem Halbleitertyp hinein ragen können. Genauso kann sich die umhüllende Halbleiterfüllung über den faserförmigen Halbleiter hinaus erstrecken. Je nach Ausführung der feinstrukturierten Materialmischung ist die Aufbringung von Sperrschichten erforderlich. In 1 sind derartige, oben und unten auf die photoaktive Schicht aufgebrachten Sperrschichten dargestellt. Dabei leitet beispielsweise die Sperrschicht 1 (3) nur Elektronen und wirkt für „Löcher” wie ein Isolator, wenn der faserförmige Halbleiter ein p-Halbleiter ist. Die Sperrschicht 2 (4) ist dann nur für „Löcher” leitend auszuführen und anders herum. Durch diese Anordnung wird gewährleistet, dass die Elektronen, die durch den n-Halbleiter „hießen” nur eine der beiden Elektroden erreichen können, und die „Löcher” aus dem p-Halbleiter nur zur Gegenelektrode kommen. Daraus resultiert die bei der Photovoltaik erzielte definierte Ladungstrennung an den beiden Elektroden mit entsprechendem Potenzialunterschied. Die Sperrschicht 1 (3) kann aus demselben Halbleiter wie der umhüllende Halbleiter 2 bestehen, oder aus jedem anderen verwendbaren Halbleiter desselben Halbleiter Typs. Die Sperrschicht 2 (4) kann aus demselben Halbleiter bestehen, wie der faserförmige Halbleiter 1, oder jedem anderen verwendbaren Halbleiter desselben Halbleiter Typs. Im weiteren Aufbau in 1 befinden sich nun noch die transparente Elektrode 5 auf der dem Licht zugewandten Seite der Solarzelle und die Rückelektrode 6 auf der Rückseite der Zelle. Dabei ist diese schematische Darstellung und Beschreibung nicht als Eingrenzung der Erfindung gedacht. Vielmehr können weitere Zwischenschichten zur Anwendung kommen, wie beispielsweise eine Beschichtung der Elektroden zum besseren Aus- bzw. Eintritt von Elektronen. Bilden bei der photoaktiven Schicht jeder Halbleiter auf einer Seite eine geschlossene Schicht auf der Oberfläche der photoaktiven Schicht (z. B. durch Überlagerung bzw. „Vermischung” der Materialien 1 und 2 zu nur 90–95%), so können die entsprechenden Sperrschichten überflüssig sein, da sie vom jeweiligen Halbleiter gebildet werden. Insbesondere kann der Aufbau der Solarzelle auch durch sukzessives Auftragen bzw. Tränken der einzelnen Schichten angefangen bei einer Elektrode erfolgen.
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Die Herstellung der faserförmigen hableitenden Strukturen kann durch verschiedene Techniken erfolgen. Allen voran ist Elektrospinnen zu nennen. Hierdurch können prinzipiell alle Polymere nach Optimierung der Parameter verarbeitet werden. Der vorliegenden Erfindung liegen Arbeiten zugrunde die zeigen, dass auch Halbleitermaterialien wie PEDOT:PSS beispielsweise zu Fasern versponnen werden können.
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Die faserförmigen halbleitenden Strukturen bestehen aus organischen halbleitenden Polymeren oder damit beschichteten nichtleitenden Polymeren, oder Vorstufen bzw. Ausgangsmaterialien („precursor”) zur Erzeugung halbleitender Verbindungen oder solcher Beschichtungen auf nichtleitenden Polymeren.
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Organische halbleitende Polymere sind sowohl p-, als auch n-Halbleitertypen, bevorzugt Polythiophene, Polypyrrole, Polyaniline, Polyparaphenylene, Polyacetylene, Polysulfurnitride, Polyarylenethynylene, Polybenzimidazole, Polyphenylenvinylene, Polyacene oder polymere Verbindungen aus Perylen-, Naphthalin- oder Hexabenzocoronen-Derivaten, sowie aus Phthalocyaninen, oder Mischungen dieser Verbindungen untereinander oder mindestens eine dieser Verbindung mit anderen Polymeren. Besonders bevorzugt sind diese organischen halbleitenden Polymere: Polythiophene, Polypyrrole, Polyaniline, Polyparaphenylene, Polyacetylene und Polysulfurnitride, oder Mischungen dieser Verbindungen untereinander oder mindestens eine dieser Verbindung mit anderen Polymeren. Anstelle der organischen Polymere können auch deren Oligomere bei entsprechender Parameterwahl im Herstellungsprozess der Fasern verwendet werden.
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Beispiele von infrage kommenden Polythiophenen sind Poly-3-Alkylthiophene (P3ATs), wie Poly-3-Hexylthiophen (P3HT), Poly-3-Butylthiophen (P3BT), 3,4-Polyethylendioxythiophen (PEDOT) und ähnliche Polythiophen-Derivate mit löslichkeitsvermittelnden Resten aus Alkylketten oder anderen Substituenten. Beispiele für Polyphenylenvinylene (PPV) sind insbesondere die Alkoxy-Derivate Poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-p-phenylenvinylen] (MEH-PPV) und Poly(2-methoxy-5-(3'-7'-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenvinylen (MDMO-PPV). Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf die aufgeführten Beispiele beschränkt.
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Nichtleitende Polymere, die als Trägermaterial zur Beschichtung der Fasern mit leitfähigen Polymeren dienen, sind sämtliche denkbare und verwendbare Polymere ohne Einschränkung. Bevorzugt sind Polystyrol (PS), Polylactid (PLA), Polyglycolid, Polymethylmetacrylat (PMMA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyethylenoxid (PEO), Polyvinylalkohol (PVA), Poly-ε-caprolacton (PCL), Polyolefine wie Polyethylen oder Polypropylen, Polyamide, Polystyrol-Copolymere, Polyester, Polyether, Polycarbonat, Polyvinylchlorid, und Derivate, Copolymere und Mischungen der genannten und weiterer Polymere. Besonders bevorzugt sind Polystyrol (PS), Polylactid (PLA), Polyglycolid, Polymethylmetacrylat (PMMA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyethylenoxid (PEO), Polyvinylalkohol (PVA), Poly-ε-caprolacton (PCL), und Derivate, Copolymere und Mischungen der genannten Polymere.
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Vorstufen bzw. Ausgangsmaterialien („Precursor”) zur Erzeugung halbleitender Verbindungen oder solcher Beschichtungen auf nichtleitenden Polymeren sind Precursor zur Herstellung von beispielsweise halbleitenden anorganischen Verbindungen wie Titandioxid. Solche Precursor können Metall-organische Verbindungen wie Metall-Alkyle oder -Alkoxyle (Titan(IV)isopropanolat (Ti(OiPr)4)) sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beispielhaft genannten Substanzen beschränkt.
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Zur Beschichtung der Fasern oder Tränken/Auffüllen des Fasernetzwerkes mit dem anderen Halbleitertyp, als der Halbleiter der Fasern kommen Materialien zur Anwendung, die sich als Beschichtung applizieren lassen, bzw. zum Tränken des Fasernetzwerkes aufgrund chemischer und physikalischer Eigenschaften geeignet sind.
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Solche Halbleitermaterialien zur Beschichtung sind Fullerene und Fullerenderivate, wie PCBM ([6,6]-Phenyl-C61-n-butansäure-methylester), Perylen und Perylenderivate, Perylenbisimid (PBI) und Perylenbisimid-Derivate, Perylenbisanhydrid (3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure-dianhydrid, PTCDA) und dessen Derivate, höhere Rylene und deren Derivate, Rylenbisimide und deren Derivate, Rylenbisanhydride und deren Derivate, Naphthalinbisimid (NBI) und deren Derivate, Naphthalinbisanhydrid und deren Derivate, Hexabenzocoronen und deren Derivate oder ähnliche zweidimensional kondensierte Ringsysteme, Oligophenylenevinylene und deren Derivate, Phthalocyanine und deren Derivate, Porphyrine und deren Derivate, Chlorine und deren Derivate, weitere Metallkomplexe wie beispielsweise Beq2 oder Alq3 (Aluminium-tris(8-hydroxychinolin)), Pentacen und andere Oligo- bzw. Polyacene mit ihren Derivaten, Oligo- und Polythiophene und deren Derivate, sowie weitere oben genannte organische und anorganische Halbleiter, die hierfür geeignet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beispielhaft genannten Substanzen beschränkt.
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Die Beschichtung der Fasern aus einem Halbleitertyp (z. B. p-Halbleiter) mit einem Halbleiter des anderen Typs (z. B. n-Halbleiter) kann über verschiedene Methoden und Verfahren erfolgen. Beispielsweise sind nasschemische Verfahren zu nennen, bei denen der Halbleiter auf den Fasern adsorbiert oder abgeschieden wird, oder Verfahren bei denen der Halbleiter aus seiner Vorstufe bei der Applikation auf die Faser erzeugt wird. Physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung sind weitere Möglichkeiten der Faserbeschichtung. Die Erfindung ist nicht auf die hier genannten Beispiele beschränkt, sondern es können auch andere gängige und neue Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen verwendet werden, auch solche die erst nach Anmeldung dieser Erfindung entwickelt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben genannte Methode zur Faserherstellung, dem Elektrospinnen beschränkt. Weitere Möglichkeiten zur Herstellung von sehr dünnen geeigneten Fasern sind beispielsweise „melt-blowing”-, „island-in-the-sea”-, sowie nanofibers-by-gas-jet(NGJ)-Verfahren, bei denen Fasern hergestellt werden können, deren Durchmesser unter einem Mikrometer liegen. Zudem sind weitere hier nicht beispielhaft aufgeführte Methoden und Verfahren zur Umsetzung der Erfindung möglich.
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Die Erfindung ist nicht auf „vollvolumige” Fasern aus Halbleiterpolymeren oder geeigneten Polymermischungen beschränkt. Eine weitere Möglichkeit zur Durchführung der Erfindung ist die Herstellung und Verwendung von beschichteten Polymerfasern. Solche Fasern bestehen beispielsweise aus nichtleitendem Polymer als Trägersubstanz und einer Halbleiterschicht als Hülle. Solche sogenannten Core-shell-Fasern werden beispielsweise durch zweistufige Prozesse hergestellt: 1. Herstellung der Trägerfaser (core), 2. Beschichtung der Trägerfaser mit geeignetem Halbleitermaterial (shell). Beispiele für Beschichtungsmethoden sind oben aufgeführt. Die Erfindung ist allerdings nicht auf diese Beispiele beschränkt. Eine weitere Herstellungsmöglichkeit solcher geeigneter Core-shell-Fasern ist beispielsweise die Erzeugung in einem einstufigen Prozess, bei dem Kern und Hülle der Fasern gleichzeitig in Form sehr dünner Fasern erzeugt wird. Beispiel einer Herstellungsmethode für diesen einstufigen Prozess ist das Elektrospinnen mittels Koaxialnadel, das sogenannte Koaxialspinnen. Bei dieser Methode werden mehrere Koaxiale Schichten unterschiedlicher Materialien gleichzeitig zu einer Faser verspannen. Die Erfindung ist nicht auf die hier beispielhaft genannten Herstellungsmethoden bzw. -verfahren beschränkt.
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Die Erfindung beinhaltet auch eine eventuelle Nachbehandlung der Fasern bzw. Halbleitermaterialien zur Verbesserung der Eigenschaften. Hierunter fällt beispielsweise die thermische Behandlung der Halbleitermaterialien durch sogenanntes „Annealing” (Tempern), um dadurch eine höhere Leitfähigkeit durch eine Optimierung der Molekülanordnung (Rekristallisation bzw. Kristallisation kleiner Bereiche) im Polymer zu erhalten. In der Literatur (Mihailetchi, V.; Van Duren, K. K.; Blom, P.; Hummelen, J. C.; Janssen, R.; Kroon, J.; Rispens, M.; Verhees, W.; Wienk, M. Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 699.) wird eine derartige Behandlung durch „Annealing” beim Halbleiter P3HT beschrieben und eine Verbesserung der Mobilität der „Löcher” um mehr als drei Größenordnungen beobachtet. Typische Temperaturen zum Tempern sind 30–250°C, bevorzugt 80–200°C, besonders bevorzugt 110–170°C.
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Ebenfalls Bestandteil der Erfindung ist die Verwendung von Mischungen verschiedener Polymere oder Zusätze von Additiven zur Verbesserung der Leitfähigkeit. Hierzu müssen die Polymere oder Additive selbst nicht zwingend leitfähig sein, jedoch die Leitfähigkeit der Verbundfaser erhöhen. Beispielsweise kann das an sich isolierende Graphenoxid (GO) als Additiv dem PEDOT:PSS zugesetzt werden und erhöht dadurch drastisch die Leitfähigkeit des intrinsisch leitfähigen Polymers PEDOT bzw. PEDOT:PSS, wie in der Literatur (V. C. Tung, J. Kim, L. J. Cote, J. Huang, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 9262–9265) beschrieben ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das hier genannte Beispiel beschränkt.
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Die Erfindung umfasst auch die Anwendung der feinstrukturierten Verteilung unterschiedlicher funktioneller Polymere im Bereich der Elektrolumineszenz. Insbesondere sind geeignete Halbleiter, fluoreszierende Stoffe bzw. Leuchtpigmente, Luminophore, phosphoreszierende Verbindungen und elektro-luminophore Polymere für die Anwendung in organischen LEDs (OLEDs) Bestandteil dieser Erfindung.
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Es versteht sich von selbst, dass die Beschreibung der Erfindung diese nicht beschränken soll, insbesondere nicht auf den momentanen Stand der Herstellungsmöglichkeiten, sondern andere Kombinationen aus Faserherstellung, Beschichtung mit Halbleiter, sonstige Ausrüstung mit dem passenden Halbleiter oder Verwendung unterschiedlicher Halbleiter des gleichen Typs kombiniert mit Halbleiter(n) des anderen Typs, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen feinstrukturierten p/n-Heteroübergänge und ihre Verwendung in organischen Solarzellen geeignet sind, in dieser Erfindungsbeschreibung nicht genannt oder momentan auch noch nicht Stand der Technik sind, ebenfalls in dieser Erfindung mit eingeschlossen sind.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden nachfolgend einige Ausführungsbeispiele angegeben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt und die genannten Vorgehensweisen und Bedingungen können von qualifizierten Personen frei modifiziert und angepasst werden.
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Beispiel 1:
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Herstellung von elektrogesponnenen PEDOT/PSS Fasern
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Zur Herstellung der Elektrospinn-Lösung wird eine wässrige Lösung (bezogen von Aldrich) mit 2,8% PEDOT:PSS bis fast zur Trockene bei 50°C eingeengt und anschließend mit Ethanol versetzt um eine 4,8%ige Dispersion zu erhalten.
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Zur Herstellung der Fasern wird eine handelsübliche Elektrospinn-Apparatur von Linari mit variabel einstellbarer Hochspannung (0–60 kV) verwendet. Die verwendete 5 mL-Glasspritze hat eine Metallnadel mit einem Innendurchmesser von 0,55 mm und einen Abstand von etwa 15 cm vom geerdeten Kollektor (Gegenelektrode). Eine positive Spannung von 17 kV wird angelegt und die Polymerdispersion mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 mL/h aus der Spritze gedrückt.
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Die gebildeten PEDOT:PSS-Fasern haben einen Durchmesser von unter 1 μm, teilweise unter 400 nm, und sind einige mm lang. Die langen, dünnen Fasern besitzen eine blaue Eigenfärbung und bestehen aus reinem PEDOT:PSS ohne anderen Polymerzusätzen. Beim Elektrosinnen entsteht ein feinporiges, vliesartiges Netzwerk aus PEDOT:PSS-Fasern, die alle im elektrischen Kontakt zueinander stehen. Die Hohlräume zwischen den Fasern sind alle kleiner als 10 μm im Durchmesser.
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Beispiel 2:
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Herstellung feinstrukturierter p/n-Heteroübergänge durch Tränken der in Beispiel 1 hergestellten Halbleiterfasern
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Aus den Fasern von Beispiel 1 wird ein feinporiges vliesartiges Netzwerk aus p-Halbleitern hergestellt (im Beispiel 1 aus PEDOT:PSS; ebenso geeignet ist P3HT) und mit einer Lösung bzw. Dispersion aus dem n-Halbleiter PCBM getränkt. Hierzu wird die PCBM-Mischung mittels Pipette oder vollautomatisch mittels Dosiereinrichtung auf das p-Halbleiter-Vlies aufgetragen, bis die Hohlräume gefüllt sind. Anschließend lässt man das PCBM eintrocknen und wiederholt den Vorgang, bis alle Hohlräume mit PCBM gefüllt sind. Die so erhaltene aktive Schicht besteht aus sehr feinstrukturierten p/n-Heteroübergängen mit durchgängigen Kontakten beider Halbleitertypen zu den Oberflächen.
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Diese photoaktive Schicht kann zur weiteren Implementierung in eine Solarzelle an Ober- und Unterseite mit den entsprechenden „Loch”- bzw. Elektronen-Sperrschichten und Elektroden beschichtet bzw. kontaktiert werden.
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Beispiel 3:
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Herstellung von elektrogesponnenen P3HT-Fasern und feinstrukturierten p/n-Heteroübergängen (P3HT:PCBM)
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Analog Beispiel 1 wird als Halbleiterpolymer der p-Halbleiter P3HT aus einer Chloroform-haltigen Lösung versponnen und ein feinporiges Netzwerk erzeugt. Dieses wird analog Beispiel 2 mit einer PCBM-haltigen Lösung behandelt, bis alle feinen Zwischenräume gefüllt sind.
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Beispiel 4:
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Herstellung der photoaktiven Schicht direkt auf der Elektrode der Solarzelle
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Zur effizienteren Herstellung der Solarzelle wird schichtweise auf die Aluminium-Elektrode eine entsprechende Sperrschicht (beispielsweise aus einem geeigneten n-Halbleiter als Sperrschicht gegen „Löcher”) aufgetragen und diese beschichtete Elektrode als Kollektor bei der Erzeugung der photoaktiven Schicht analog den Beispielen 1–3 verwendet. Darauf wird eine weitere passende Sperrschicht (beispielsweise aus einem geeigneten p-Halbleiter, wie PEDOT:PSS) und anschließend eine transparente leitfähige Elektrode aus Silbernanodrähten aufgetragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009099889 (A1) [0009]
- US 2007092988 (A1) [0009]
- US 2006025311 (A1) [0010]
- JP 11317536 (A) [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Mihailetchi, V.; Van Duren, K. K.; Blom, P.; Hummelen, J. C.; Janssen, R.; Kroon, J.; Rispens, M.; Verhees, W.; Wienk, M. Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 699 [0030]
- V. C. Tung, J. Kim, L. J. Cote, J. Huang, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 9262–9265 [0031]
